Jak se vypořádat s limity při obrábění s dlouhým vyložením nástrojů

Moderní trendy ve výrobě přivádějí stále více pozornosti i k problematice obrábění pomocí nástrojů o velké délce, zejména pak pro vyvrtávání či soustružení přesných otvorů. Nové materiály polotovarů se obrábějí obtížněji, což dále zvyšuje namáhání nástrojových systémů. Konstruktéři se snaží v rámci úspory času i nákladů spojovat více dílů do složitých monolitických obrobků, které pak zahrnují i obrábění hlubokých otvorů či soustružení komplexních tvarů na víceúčelových obráběcích strojích. Aby bylo možné tyto skutečnosti zvládnout, je třeba vyhodnotit všechny prvky obráběcích systémů a aplikovat metody i nástroje, které zaručí úspěch. Mezi klíčové faktory patří stabilita stroje, uchycení nástrojů, upnutí obrobku a řezné geometrie nástrojů. Obecně platí, že základem úspěchu v procesech přesného a výkonného vyvrtávání a soustružení s dlouhým vyložením jsou pevnost upnutí, tuhost nástroje a pečlivost při aplikaci. 

Průhyb a vibrace 

Při vyvrtávání nebo vnitřním soustružení ve velkých hloubkách pracuje břit nástroje ve velké vzdálenosti od upínacího rozhraní stroje. Přitom mohou oba typy operací zahrnovat i otvory s přerušovanými řezy – například u skříní čerpadel či kompresorů. Délka vyložení nástroje je pak určena hloubkou otvoru a může vést k průhybům vyvrtávací tyče nebo soustružnického nože. Průhyb zvětšuje proměnlivost řezné síly a může způsobit vibrace a chvění, které snižují kvalitu obrobení, nebo vedou k rychlému opotřebení či zlomení nástrojů a poškození některých konstrukčních celků obráběcích strojů. Zejména v případě vřeten to znamená nákladné opravy a dlouhé prostoje. Proměnlivé síly jsou způsobeny nevyvážeností, malou tuhostí nebo rezonančními vibracemi prvků v soustavě stroj-nástroj-obrobek. Mezi negativní účinky vibrací patří nízká kvalita povrchu a nepřesné rozměry obrobku, rychlé opotřebení nástroje, menší úběr materiálu, vyšší výrobní náklady a poškození nástrojových držáků i obráběcích strojů. 

Tuhost stroje a upnutí obrobku 

Základní přístup ke tlumení vibrací zahrnuje zvyšování tuhosti jednotlivých prvků obráběcího systému. Kvůli stabilitě musí být obráběcí stroj vyroben z tuhých a hmotných konstrukčních prvků, zesílených pomocí betonu nebo dalších materiálů utlumujících vibrace. Ložiska a pouzdra stroje musí být pevná a bez vůlí. Obrobky je nutno přesně polohovat a bezpečně upnout. Upínací systém by měl být co nejjednodušší a pevný, s upínacími body co nejblíže k obráběným prvkům. K vibracím při obrábění jsou náchylné zejména tenkostěnné nebo svařované díly a nevyztužené skořepiny. Některé díly lze v zájmu zlepšení tuhosti překonstruovat – takové změny však mohou navýšit hmotnost nebo narušit funkční výkonnost finálního produktu. 

Uchycení nástroje 

Pro využití maximální tuhosti musí být vyvrtávací nebo soustružnické nástroje co nejkratší, ale současně dostatečně dlouhé, aby dokázaly obrobit celou délku otvoru nebo součásti. Průměr tělesa by měl být co největší, přitom však musí umožňovat volný pohyb v otvoru i účinný odvod třísek. Kolísání řezné síly představuje zdroj vibrací, které mohou rezonovat s vlastními kmity držáku nebo soustavou stroje, takže se začnou udržovat nebo dokonce zvyšovat vlastním buzením. Mezi další zdroje vibrací patří opotřebené nástroje nebo příliš mělké záběry. Nestabilita procesu a rezonance s kmitáním vřetena stroje nebo nástroje působí nežádoucí poškození. Základním přístupem k eliminaci vibrací je použití krátkých a tuhých nástrojů. Čím větší je poměr délky tyče vůči jejímu průměru, tím větší je pravděpodobnost, že vibrace nastanou. Různé materiály tyče vykazují také různé vibrační charakteristiky. Monolitní karbid nebo těžký kov s vysokou hustotou jsou obecně odolnější vůči vibracím nežli standardní ocelové. Cenou za vyšší tuhost jsou však vysoké náklady, zejména pak u tyčí velkých průměrů. 

Systémy pro tlumení vibrací 

Alternativní způsob tlumení vibrací představuje antivibrační tyč. Ta je vybavena interním hmotovým tlumičem, který je zkonstruován tak, aby kmital v protifázi s nežádoucí vibrací, absorboval její energii a minimalizoval vibrační pohyb. Systém Steadyline od společnosti Seco Tools nabízí systém laděného tlumení vibrací, využívající hmotu tlumiče vyrobeného z materiálu o vysoké hustotě, uloženého uvnitř tyče pomocí radiálních elastických prvků. Hmota tlumiče pohlcuje vibrace ihned poté, co se přenesou z řezného nástroje do tělesa tyče. Složitější a dražší aktivní tlumení vibrací nástroje může mít podobu elektronicky aktivovaných zařízení, která snímají průběh vibrací, a elektronických aktuátorů, jež v držáku vytvářejí sekundární pohyb rušící nežádoucí kmitání. 

Materiál obrobku 

Vlastnosti materiálu polotovaru také mohou přispět ke vzniku vibrací. Různá tvrdost materiálu, tendence k utváření nárůstků na břitu nebo deformační zpevňování či obsah tvrdých částic ve struktuře vedou k proměnlivému mechanickému zatěžování a způsobují vibrace. U některých materiálů může do jisté míry přispět k minimalizaci vibrací také vhodná kombinace řezných parametrů. 

Geometrie řezného nástroje 

Nástroj samotný podléhá tangenciálnímu a radiálnímu průhybu. Radiální průhyb ovlivňuje přesnost obráběného průměru. V tangenciálním průhybu je břitová destička stlačována směrem dolů od osy dílu. Při obrábění otvorů o malých průměrech navíc zmenšuje vnitřní profil otvoru úhel hřbetu mezi břitovou destičkou a povrchem otvoru. Prvky geometrie břitu – úhel čela, úhel nastavení ostří a poloměr špičky mohou vibrace zvětšovat nebo tlumit. Pozitivní úhel čela snižuje tangenciální složku řezné síly. Velký úhel čela a malý úhel břitu vytvářejí ostrou geometrii, která snižuje řezné síly. Ostrý břit je však náchylnější k rázovému poškození či nerovnoměrnému opotřebení, což ovlivní kvalitu obrobení povrchu otvoru. Malý úhel nastavení ostří zvětšuje axiální složku řezné síly, zatímco velký úhel složku radiální. Axiální síla má při vyvrtávání minimální vliv, takže malý úhel vyhovuje. Současně však koncentruje řezné síly na menší část břitu, což může mít negativní vliv na životnost nástroje. Kromě toho ovlivňuje úhel nastavení ostří nástroje tloušťku třísek a směr jejich odvodu. Poloměr špičky břitové destičky by měl být menší než hloubka řezu, aby se minimalizovala radiální složka řezné síly. 

Odvod třísky 

Odvádění třísek z obráběného otvoru představuje při operacích vyvrtávání zásadní problém. Odvod třísky ovlivňuje geometrie břitové destičky, řezná rychlost i obrobitelnost materiálu. Při vyvrtávání jsou žádoucí třísky krátké, neboť se z hloubi otvoru snáze odvádějí a snižují síly působící na břit. Výrazně tvarované geometrie destiček podporující dělení třísek však vykazují větší spotřebu energie a mohou způsobovat vibrace. Dokončovací operace s cílem dosažení dobré kvality povrchu vyžadují menší hloubku řezu, při níž ovšem vznikají tenčí třísky, které problémy s odvodem umocňují. Zvýšení posuvu může vést k lepšímu dělení třísek, avšak současně zvyšuje řezné síly. Zásadní je také zabránění vzniku nárůstků, a proto je třeba dosáhnout vhodné kombinace vyšší rychlosti posuvu a optimálního vnitřního přívodu chladicí kapaliny. 

Produktivita a pasivní tlumení u nástrojů Seco Steadyline 

Nástrojový systém Steadyline společnosti Seco umožňuje provádět operace s dlouhým vyložením dvakrát rychleji než s běžnými nástroji, přičemž současně zlepšuje kvalitu povrchu, prodlužuje životnost nástroje a snižuje namáhání obráběcího stroje. Systém pasivně-dynamického tlumení Steadyline funguje na základě interakce vibračních sil. V praxi vyvolávají řezné síly pohyb (vibrace) v držáku. Aby se vibrace omezily, využívá systém Steadyline vlastnosti sekundární interní tlumicí hmoty se stejnou vlastní frekvenci kmitů jako těleso tyče. Tlumič rezonuje s nežádoucí vibrací v protifázi, absorbuje její energii a zamezuje nežádoucímu pohybu. Tento prvek je umístěn v přední části držáku, kde je potenciál pro vychýlení největší a tlumicí hmota může vibrace eliminovat hned za břitem nástroje. Systém Steadyline proto zahrnuje i krátké, kompaktní nástrojové hlavy Seco GL, u nichž jsou břity destiček umístěny co nejblíže tlumicímu prvku, aby se efekt absorpce vibrací maximalizoval. Systém lze využít v širokém spektru aplikací a jeho nasazení je velmi výhodné jak pro hrubovací i jemné vyvrtávání, tak také frézování kapes, konturování či drážkování. Společnost Seco Tools nabízí sortiment soustružnických a vyvrtávacích tyčí a řezných hlav Steadyline v rozsahu průměrů 25 mm (1") až 100 mm (4"). Hlavy vyvrtávacích i soustružnických sestav lze rychle vyměnit pomocí připojení typu GL s vysokou přesností středění s opakovatelností 5 mikronů a možností orientace hlav 0°/180°. U všech provedení je možné využití technologie vysokotlakého chlazení Jetstream Tooling. 

Nezbytná souhra faktorů 

Operace vyvrtávání hlubokých otvorů a soustružení pomocí nástrojů s dlouhým vyložením jsou při obrábění kovů běžné a často nezbytné. Účinné provádění těchto procesů však vyžaduje hodnocení obráběcího systému jako celku, aby bylo zajištěno společné působení více faktorů zapojených do snižování vibrací a zaručení kvality, a dosáhlo se tak maximální produktivity i ziskovosti. V případech, kde již vlastnosti konvenčních nástrojů nestačí, přináší řada Seco Steadyline přesnost a spolehlivost, snížené namáhání vřetena stroje, vyšší úběr materiálu, lepší kvalitu obrobení povrchu i delší životnost nástrojů.